Studi Pengaruh Penambahan Flange Untuk Peningkatan Performansi Diffuser-Augmented Wind Turbine (DAWT) Dengan Curvature Lengkung - ITS Repository

  TESIS 092325

STUDI PENGARUH PENAMBAHAN FLANGE UNTUK

PENINGKATAN PERFORMANSI DIFFUSER- AUGMENTED WIND TURBINE (DAWT) DENGAN CURVATURE LENGKUNG

  MUCHAMMAD NURUR ROCHMAN 2412 201 002 Pembimbing : Dr. rer. nat. Ir. Aulia M. T. Nasution, M.Sc. Dr. Gunawan Nugroho, ST, M.T.

  PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN REKAYASA INSTRUMENTASI JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

  INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014

  TESIS 092325

STUDY ON THE EFFECT OF FLANGE

  

IMPROVEMENT OF DIFFUSER AUGMENTED WIND

TURBINE (DAWT) WITH CURVATURE INTERIOR

  MUCHAMMAD NURUR ROCHMAN 2412 201 002 Supervisor : Dr. rer. nat. Ir. Aulia M. T. Nasution, M.Sc. Dr. Gunawan Nugroho, ST, M.T.

  MASTER PROGRAM STUDY OF ENGINEERING INSTRUMENTATION INDUSTRY DEPARTMENT OF ENGINEERING PHYSICS FACULTY OF TECHNOLOGY INDUSTRY

  INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014

  

STUDI PENGARUH PENAMBAHAN FLANGE UNTUK

PENINGKATAN PERFORMANSI DIFFUSER-AUGMENTED

WIND TURBINE (DAWT) DENGAN CURVATURE

  

LENGKUNG

  Nama Mahasiswa : Muchammad Nurur Rochman NRP : 2412201002 Pembimbing : Dr. rer. net. Ir. Aulia M. T. Nasution, M.Sc.

  Dr. Gunawan Nugroho, S.T., M.T.

  

ABSTRAK

Diffuser Augmented Wind Turbine (DAWT) memberikan potensi untuk

  mengatasi ketersediaan energi angin seperti di Indonesia dengan kecepatan rata-rata tahunan dari 3-5 m/s. Dalam tesis ini, studi komputasi CFD untuk mengetahui pengaruh penambahan flange (pada posisi trailing edge dari model diffuser yang sebelumnya dengan desain kurvatur lengkung) terhadap perubahan kecepatan angin dalam diffuser. Dua model bentuk flange telah disimulasikan, yaitu flange berbentuk datar (flat-flange) dan flange berbentuk airfoil. Pengamatan perubahan sudut pada pemasangan flange, juga memiliki pengaruh terhadap kecepatan angin maksimum di dalam diffuser. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan flange pada posisi trailing-edge diffuser akan dapat lebih meningkatkan kecepatan udara di dalam diffuser. Penambahan flange berbentuk datar akan meningkatkan kecepatan udara hingga 65% lebih tinggi dari kecepatan udara freestream. Sementara itu, dengan mengoptimalkan posisi sudut flange, akan meningkatkan

  o kecepatan angin hingga 4% (yaitu meningkat 69% dan maksimum di φ = 60 ).

  Bahkan peningkatan kecepatan angin lebih tinggi (dibanding penambahan dari flange berbentuk datar) didapatkan dengan penambahan flange berbasis airfoil,

  o yaitu meningkat hingga 72% (maksimum pada posisi sudut φ = 72 ).

  Kata Kunci - DAWT, Optimasi Curvature Wall, penambahan flange, sudut flange.

  

STUDY ON THE EFFECT OF FLANGE INSTALLMENT TO

THE PERFORMANCE IMPROVEMENT OF DIFFUSER

AUGMENTED WIND TURBINE (DAWT) WITH CURVATURE

  

INTERIOR

  By : Muchammad Nurur Rochman Student Identify Number : 2412201002 Supervisor : Dr. rer. net. Ir. Aulia M. T. Nasution, M.Sc.

  Dr. Gunawan Nugroho, S.T., M.T.

  

ABSTRACT

The Diffuser Augmented Wind Turbine (DAWT) offers potentials to cope

with the wind availability situation like in Indonesia, i.e. with yearly average of 3-

  

5 m/s. In this research, computational CFD studies to get insight into the role of

flange installment (at the trailing edge of the previously proposed model diffuser

Augmented Wind Turbine with curve interior wall) to the wind velocity

intensification inside the diffuser. Two models of flange are investigated, i.e. the

flat flange and airfoil-shape flange. The role of angle-of-installment that provide

the maximum velocity inside the diffuser are also investigated. Results show that

the additional flange to the trailing-edge of the diffuser will more step-up the air

velocity inside the diffuser. The installment of flat flange will additionally increase

the air velocity up to 65 % higher from freestream air velocity. Meanwhile by

optimizing the position of flange's angle, a more step-up in velocity up to 4% can

o

still being harvested (i.e. increased 69% and max at ϕ = 60 ). An even more higher

additional velocity (in compare to the installment of flat flange) can be harvested

o by installment of flange with airfoil-shape, i.e. up to 31% (max at ϕ = 72 ).

  

Keywords – DAWT, Optimized Curvature Wall, Flange Installement, Flange's

angle.

KATA PENGANTAR

  Alhamdullillah, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir yang berjudul : STUDI PENGARUH

  

PENAMBAHAN FLANGE UNTUK PENINGKATAN PERFORMANSI

DIFFUSER-AUGMENTED WIND TURBINE (DAWT) DENGAN

CURVATURE LENGKUNG

  , sesuai dengan waktu yang diharapkan. Laporan Tugas Akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan bagi seorang mahasiswa pascasarjana untuk memperoleh gelar Magister Teknik pada Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak–pihak yang telah meluangkan waktu dan perhatian, sehingga baik langsung maupun tidak langsung turut membantu penulis dalam menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. Ucapan terima kasih ini penulis tujukan kepada:

   Kedua Orang tua, saudara dan kakak-kakakku yang selalu memberikan dukungan penuh, baik moral, spiritual maupun material.

   Bapak Dr. rer. nat. Ir. Aulia M. T. Nasution, M.Sc. dan Bapak Dr. Gunawan Nugroho, ST, MT selaku pembimbing yang telah memberikan pengarahan dan bimbingan kepada penulis dalam penyusunan tesis ini.

   Bapak Prof. Dr. Ir. Sekartedjo, M.Sc.

  selaku dosen wali, yang selalu

memberikan motivasi dan arahan pada penulis selama masa perkuliahan.

   Seluruh Bapak dan Ibu dosen pengajar serta karyawan Jurusan Teknik Fisika, FTI-ITS Surabaya.

   LPDP (Lembaga Pengelola Dana Pendidikan) Kementerian Keuangan RI sebagai sponsor yang telah membantu dalam Pendanaan dalam mengerjakan Tesis hingga selesai.

   Teman-teman seperjuangan Epicentrum yang selalu saling memberikan semangat, terimakasih atas dukungan, bantuan, dan semangatnya. Semua akademisi jurusan teknik fisika ITS, serta semua pihak yang tidak

   dapat kami sebutkan satu per satu yang telah membantu terlaksananya tugas akhir ini.

  Penulis menyadari bahwa Laporan Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun sangat penulis harapkan. Akhirnya, harapan penulis semoga sekedar tulisan Tesis ini dapat bermanfaat sebagaimana mestinya.

  Surabaya, Agustus 2014 Penulis

DAFTAR ISI

  Halaman LEMBAR PENGESAHAN v

  ABSTRAK vii

  ABSTRACT ix

  KATA PENGANTAR xi

  DAFTAR ISI xiii

  DAFTAR GAMBAR xv

  DAFTAR LAMPIRAN xix

  BAB 1. PENDAHULUAN

  1

  1.1. Latar Belakang

  1

  1.2. Rumusan Masalah

  3

  1.3. Batasan Masalah

  4

  1.4. Tujuan Penelitian

  4

  1.5. Manfaat Penelitian

  4 BAB 2. KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

  7

  2.1. Diffuser Augmented Wind Turbine (DAWT)

  7

  2.2. Teori Boundary Layer

  9

  2.2.1 Separasi Aliran (Flow Separation)

  10

  2.2.2 Wake Dynamics

  12

2.3. Airfoil

  13

  2.3.1 Hukum Konservasi Massa dalam Sistem Tertutup

  14

  2.3.2 Geometri Airfoil Seri NACA

  15

  2.3.3 Optimasi Airfoil

  16

  2.3.4 Daya Angkat Airfoil (Lift)

  17

  2.4. Persamaan dan Model Turbulence

  19

  2.5. Computational Fluid Dynamics(CFD)

  21

  2.5.1. Metode Elemen Hingga (Finite Elements Method)

  22

  2.5.2 Model K-epsilon

  24 BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN

  25

  3.1 Desain flange Diffuser

  25

  3.2 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

  26

  3.3 Simulasi Tahap Awal (Validasi)

  28

  3.4 Diagram Alir Penelitian

  29 BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

  31

  4.1 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

  31

  4.1.1 Simulasi Tahap Awal

  31

  4.1.2 Simulasi Diffuser Curvatur Lengkung dengan Flat-

  flange

  33

  4.1.3 Simulasi Diffuser Curvatur Lengkung dengan Airfoil

  flange

  35

  4.2 Hasil Perbandingan Simulasi

  36

  4.2.1 Perbandingan Simulasi Variasi Sudut Flange

  36

  4.2.2 Perbandingan Simulasi Variasi Kecapatan Awal (Uo)

  39

  4.3 Formasi Wake Turbulence pada Diffuser

  41

  4.4 Kecepatan Angin dalam Diffuser

  42 BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN

  45 DAFTAR PUSTAKA

  47 LAMPIRAN

  49

  

DAFTAR GAMBAR

  Halaman

Gambar 2.1. (a) HAWT , (b) VAWT (Spera, 2009)

  7 Gambar 2.2. (a) Tipe Diffuser dalam DAWT, (b) DAWT dengan

  Flange (Ohya dkk, 2008)

  8 Gambar 2.3. Daerah Transisi Laminer-Turbulen (Purwanto, 2011)

  9 Gambar 2.4. Skematik Kondisi Terjadinya Separasi Aliran (Alexandrou, 2011)

  10 Gambar 2.5. Aliran Pada sebuah converging-diverging nozzle (Alexandrou, 2011)

  11 Gambar 2.6. Pembentukan Wake (Alexandrou, 2011)

  12 Gambar 2.7. Aliran Fluida pada Airfoil (Lubis, 2012)

  14 Gambar 2.8 Bagian-bagian dari Geometri Airfoil (Bertin, 2009)

  15 Gambar 2.9 komponen Lift (L), Drag (D), dan moment (M) pada

  airfoil (Nasution, 2011)

  17 Gambar 2.10 (a) grafik antara koefisien lift dengan sudut serang (b) grafik antara koefisien drag dengan sudut serang (Fox & Mcdonald, 1978)

  18 Gambar 2.11 Representasi trailing vortices pada ujung airfoil (Fox & Mcdonald, 1978)

  19 Gambar 2.12 Efek dari penambahan sirip pada airfoil NACA 23012 (Fox & Mcdonald, 1978)

  19 Gambar 2.13 Diskritisasi Objek

  22 Elemen Segitiga (Rainaldo, 2007) Gambar 2.13

  22 DAWT dengan penambahan flange (Ohya, 2008) Gambar 3.1

  25 Bentuk Geometri DAWT dengan flange sebelum

Gambar 3.2 dilakukan simulasi

  26 Bentuk dan Ukuran Ruang Simulasi CFD Gambar 3.3

  27

Gambar 3.4 Grafik Profil Kecepatan Angin dam DAWT

  28 Gambar 3.5 Skema Pembuatan Program Representasi Gambar Hasil Simulasi

  28 Gambar 3.6 Diagram Alir Penelitian

  29 Gambar 4.1 Profil Kecepatan Aliran Angin pada Flat-Diffuser dengan Flat-Flange

  31 Gambar 4.2 Hasil Validasi : a) dari Ohya dkk (2008) , b) Simulasi Validasi yang Telah Dilakukan.

  32 Gambar 4.3 Perbandingan hasil simulasi Diffuser Airfoil NACA 5807 ; L/D=2 vs L/D=1,5

  32 Gambar 4.4 Pengaruh Penambahan Flange pada Diffuser Interior rata (Flat Wall) dan Interior lengkung (Optimized

  Curvature Wall)

  33 Gambar 4.5 Profil Kecepatan Aliran Angin pada Diffuser lengkung

  o

  dengan Flat-Flange pada sudut 60

  34 Gambar 4.6 Grafik Profil Kecepatan Aliran Angin pada Diffuser

  o o

  lengkung dengan Flat-Flange pada sudut 0 hingga 84

  35 Gambar 4.7 Profil Kecepatan Aliran Angin pada Diffuser lengkung

  o

  dengan Flange Berbasis Airfoil pada sudut 60

  36 Gambar 4.8 Grafik Profil Kecepatan Aliran Angin pada Diffuser

  o

  lengkung dengan Flange Berbasis Airfoil pada sudut 0

  o

  hingga 84

  36 Gambar 4.9 Grafik Perbandingan Kecepatan Maksimum Aliran Angin pada Diffuser lengkung dan Flat-Flange pada

  o o

  sudut 0 hingga 84

  37 Gambar 4.10 Grafik Penurunan Koefisien Tekanan pada Diffuser Lengkung Tanpa Flange, Menggunakan Flat-Flange

  

o o

  (60 ), dan Menggunakan Airfoil Flange (72 )

  38 Gambar 4.11 Grafik Penurunan Koefisien Tekanan pada Diffuser Lengkung Tanpa Flange, Menggunakan Flat-Flange

  

o o

(60 ), dan Menggunakan Airfoil Flange (72 ).

  39

Gambar 4.12 Grafik Perbandingan Kecepatan Maksimum yang

  Terjadi pada Diffuser Airfoil-Flange dengan variasi kecepatan awal 2-7 m/s.

  40 Gambar 4.13 Vorteks yang terjadi di belakang Diffuser tepat di belakang Flange (a) Flat-Diffuser Flat-Flange, (b)

  Diffuser Lengkung Flat-Flange, (c) Diffuser Lengkung Flange Berbasis Airfoil

  42 Gambar 4.14 Profil Kecepatan Angin pada Diffuser Lengkung dengan

  o Flat Flange (60 )

  43 Gambar 4.14 Profil Kecepatan Angin pada Diffuser Lengkung dengan

  o Airfoil Flange (60 ).

  43

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

  Isu global yang sedang menjadi sorotan adalah permasalahan tentang energi. Sumber energi yang selama ini menjadi konsumsi utama masyarakat khususnya di Indonesia adalah energi bahan bakar dari minyak bumi, batu bara, dan gas alam yang sewaktu-waktu akan habis jika dikonsumsi secara terus menerus. Diperkirakan dalam kurun tak lebih dari 20 tahun, persediaan migas di Indonesia akan habis. Maka dari itu, perlu adanya revolusi penyediaan sumber energi dari sumber terbarukan dalam memenuhi kebutuhan masyarakat. Maka dari itu, perlu adanya pengembangan energi alternatif yaitu pengembangan sumber energi terbarukan untuk penyediaan energi di waktu yang akan datang. Salah satu pengembangan energi terbarukan adalah melalui pemanfaatan energi angin. Pemanfaatan energi angin merupakan solusi yang baik karena energi angin dapat diperoleh secara bebas.

  Indonesia merupakan negara tropis yang berada di sekitar garis khatulistiwa. Hal itu menyebabkan Indonesia mempunyai profil aliran angin yang sangat minimum dibandingkan daerah subtropis. Rata-rata kecepatan angin paling tinggi di Indonesia 3-5 m/s (Kementrian ESDM, 2012). Salah satu cara untuk memanfaatkan energi angin adalah dengan menggunakan

  wind turbine. Padahal, teknologi wind turbine didesain untuk digunakan di

  daerah subtropis yang memiliki kecepatan angin sampai 10 m/s. Meskipun mempunyai relatif kecil, Indonesia mempunyai potensi energi angin sebesar 9190 MW. Hingga saat ini, pengembangan terhadap potensial tersebut hanya 1,1 MW, sehingga ada sekitar 99% potensi angin yang belum dimanfaatkan sebagai sumber energi (International Trade Administration, 2010). Oleh karena itu, untuk memanfaatkan energi angin di Indonesia lebih efektif diperlukan usaha yang lebih efektif. Hingga saat ini, salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan memanipulasi kecepatan angin sehingga memiliki kecepatan lokal yang lebih tinggi.

  Salah satu konsep yang sedang berkembang adalah DAWT (Diffuser-Augmented Wind turbine), yang merupakan pengembangan dari konsep horizontal axis wind turbine yang dilengkapi dengan selubung pada rotornya. Konsep tentang DAWT sudah berkembang sejak tahun 1977. Pada saat itu, Foreman dkk, 1977, telah menjelaskan bahwa DAWT dapat menurunkan tekanan udara sampai 0,6 kali tekanan udara freestream. Hal tersebut memungkinkan penarikan udara sehingga udara mengalir lebih cepat pada turbin (Foreman dkk, 1977).

  Perkembangan DAWT terus dilakukan untuk meningkatkan keluaran daya. Peningkatan daya di dalam teknologi DAWT disebabkan oleh meningkatnya kecepatan generator dan torsi keluaran sehingga daya dapat meningkat secara signifikan. Peningkatan kecepatan angin dalam Diffuser juga dapat meningkatkan daya listrik untuk turbin yang berukuran relatif kecil. (Chen dkk, 2012; Wang dkk, 2008; Toya, 2007).

  Dari waktu ke waktu, pengembangan desain DAWT untuk meningkatkan performasi turbin angin terus dilakukan. Salah satu pengembangan desain DAWT yang telah dilakukan adalah dengan penambahan flange (Ohya dkk, 2008), dimana selubung yang berbentuk seperti kerucut terpancung dengan interior dalam rata, yang dilengkapi dengan sebuah flat flange pada bagian belakang selubung. Kinerja dari DAWT desain Ohya dengan penambahan flat flange ini bisa memberikan peningkatan kecepatan 1,6 hingga 2,4 kali kecepatan angin yang datang. Desain DAWT juga dapat dilakukan dengan memperpanjang Diffuser. Dengan membuat DAWT yang relatif panjang daya keluaran dapat ditingkatkan sekitar 4-5 kali (Ohya dkk, 2010). Ini dikarenakan wilayah bertekanan kecil membuat formasi vorteks yang lebih kuat sehingga perpindahan massa udara ke dalam Diffuser semakin kuat.

  DAWT tidak hanya dibuat dengan desain permukaan datar, tetapi untuk peningkatan kecepatan angin tersebut juga dilakukan dengan desain permukaan lengkung (Nasution dkk, 2011). Dengan mengadopsi desain

  

Airfoil, DAWT didesain menggunakan standar NACA 5807. Desain tersebut

  lebih baik dari pada desain DAWT dengan permukaan datar yang hanya dapat meningkatkan kecepatan angin hanya sebesar 10% dari kecepatan udara freestream. Efek dari penambahan permukaan lengkung terhadap kecepatan angin di dalam Diffuser tersebut didapatkan hasil kecepatan angin yang bertambah hingga 1,65 kali lebih cepat dibandingkan dengan kecepatan angin lokal.

  Hasil dari penelitian tersebut, memberikan ide dalam penelitian ini untuk menggabungkan permukaan lengkung dengan penambahan flange dengan variasi sudut serta mengamati bagaimana pengaruh sudut penempatan

  flange terhadap peningkatan performansi DAWT, sehingga diharapkan

  kecepatan angin dalam selubung Diffuser akan mengalami percepatan yang lebih tinggi dibandingkan kecepatan angin lokal. Menurut Ohya, 2008, Penambahan flat flange dapat membentuk turbulensi yang besar pada daerah keluaran Diffuser yang menyebabkan adanya gaya tarik udara pada area masukan Diffuser sehingga dapat mempercepat angin lokal pada posisi penempatan rotor blade, yang mengakibatkan peningkatan kecepatan udara dalam Diffuser jauh lebih tinggi. Sehingga, salah satu cara menghasilkan turbulensi yang besar dapat dilakukan dengan pemberian flange dengan variasi sudut dan bentuk optimum untuk menghasilkan kinerja Diffuser yang optimum. Flange dengan ukuran tertentu akan membentuk dua putaran vorteks yang berlawanan arah rotasi sehingga menyebabkan tarikan angin ke dalam Diffuser menjadi semakin besar (Kardous, 2013). Penelitian ini, menggunakan beberapa jenis desain Diffuser dengan flange berbentuk flat maupun flange berbasis Airfoil yang keduanya akan dilakukan variasi sudut. Pada akhir penelitian ini, akan membandingkan profil kecepatan angin pada DAWT dengan flat-flange maupun flange berbasis Airfoil sehingga diketahui desain DAWT yang lebih baik.

1.2 RUMUSAN MASALAH

  Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :

  1. Peningkatan kecepatan angin di dalam DAWT (Diffuser Augmented

  Wind turbine) secara maksimum apakah dapat ditingkatkan dengan penambahan flat flange.

  2. Desain flange DAWT berbasis Airfoil maupun yang flat dengan variasi sudut apakah dapat memperoleh kecepatan angin maksimum.

  3. Profil kecepatan angin dalam DAWT apakah memiliki perbedaan yang signifikan menurut beberapa desain yang telah dibuat yaitu dengan flat

  flange maupun flange berbasis Airfoil.

  1.3 BATASAN MASALAH

  Penelitian ini merupakan langkah untuk mengoptimalkan kinerja

  wind turbine sehingga dapat mengkonversi energi secara maksimum. Oleh

  karena itu, dalam penelitian ini memiliki tujuan sebagai berikut :

  1. Simulasi terhadap geometri DAWT dengan penambahan flat flange menggunakan simulasi CFD dengan memberikan aliran udara

  incompressible dan steady.

  2. Simulasi dilakukan dengan model sistem 2 dimensi.

  3. Analisa yang akan dilakukan untuk membandingkan DAWT dengan

  flatflange maupun flange berbasis Airfoil berupa analisa keccepatan dan besar vorteks yang terjadi.

  1.4 TUJUAN PENELITIAN

  Penelitian ini memiliki tujuan :

  1. Menentukan besar peningkatan kecepatan aliran udara di dalam DAWT (Diffuser Augmented Wind turbine) dengan penambahan flat flange maupun flange berbasis Airfoil.

  2. Menentukan besar pengaruh dari perubahan sudut flange terhadap kecepatan yang terjadi di dalam DAWT.

  3. Menentukan desain yang DAWT dengan flange yang terbaik sehingga dapat tercipta kecepatan angin di dalam Diffuser yang maksimum.

  1.5 MANFAAT PENELITIAN

  Penelitian ini diharapkan dapat memberikan desain DAWT yang terbaik, sehingga dapat memperoleh kenaikan kecepatan aliran udara tertinggi. Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi dalam penelitian selanjutnya. Diharapkan juga hasil dari penelitian ini dapat dijadikan sebagai rekomendasi dalam pengembangan teknologi dalam pengembangan turbin angin terutama pada daerah yang mempunyai kecepatan angin yang relatif kecil.

BAB 2 KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 DIFFUSER AUGMENTED WIND TURBINE (DAWT)

  Turbin Angin (Wind turbine) merupakan salah satu alat konversi dari energi angin menjadi energi listrik. Secara umum turbin angin dibagi menjadi dua bentuk dasar yaitu Vertical Axis Wind turbine (VAWT) dan Horizontal

  Axis Wind turbine (HAWT). VAWT merupakan turbin angin yang memiliki

  sumbu rotasi rotor secara vertikal sedangkan HAWT mempunyai sumbu rotasi rotor secara horizontal. HAWT merupakan turbin angin yang sering digunakan dalam konversi energi angin di negara dengan potensi kecepatan angin yang cukup besar. Hal ini dikarenakan Efisiensi dari HAWT cukup baik dibandingkan dengan VAWT.

  (a) (b)

Gambar 2.1 (a) HAWT , (b) VAWT (Spera, 2009)

  DAWT merupakan pengembangan dari HAWT yang dilengkapi dengan selubung yang berfungsi untuk mempercepat aliran angin. Penggunaan selubung pada DAWT berbentuk kerucut terpancung dengan penampang keluaran yang lebih besar seperti pada Gambar 2.2 (a).DAWT dikembangkan untuk negara yang mempunyai kecepatan angin yang relatif rendah. Salah satu konsep DAWT yang berkembang adalah flanged DAWT dengan konfigurasi selubung seperti kerucut terpancung interior rata dan Lange dengan bentuk datar pada bagian belakang (Ohya dkk, 2008). Gambar penampang flange pada DAWT seperti pada Gambar 2.2 (b).

  

(a) (b)

Gambar 2.2 (a) Tipe Diffuser dalam DAWT, (b) DAWT dengan Flange

  (Ohya dkk, 2008) Fluida aliran bebas (freestream)yang mengalir melalui objek berongga mengalami salah satu dari tiga macam fenomena yang mungkin terjadi, yaitu menolak aliran, tidak ada efek tolakan, dan menghisap efek aliran (Ohya dkk, 2008) fenomena menghisap aliran terjadi bila tekanan udara di dalam objek berongga lebih rendah daripada tekanan udara pada

  

freestream. Aliran udara akan mengalir ke titik di mana tekanan udara lebih

  rendah sehingga seakan-akan terhisap melalui bagian dalam objek. Dari bentuk-bentuk selubung, bentuk Diffuser mempunyai penampang inlet lebih kecil dibanding penampang outlet. Hal ini menyebabkan dalam bentuk

  

Diffuser menghasilkan kenaikan kecepatan lokal yang relatif terhadap

  kecepatan freestream (Ohya dik, 2008). Turbulensi yang tinggi pada sebuah aliran di dalam Diffuser menunjukkan adanya bilangan Reynolds yang relatif tinggi. Hal ini bisa diartikan kecepatan aliran yang tinggi dan tekanan pada titik tersebut rendah. Fenomena tersebut dapat menjelaskan adanya efek menghisap aliran pada Diffuser.

  Diffuser secara geometri dapat digambarkan dengan sebuah pipa

  silinder dengan diameter (D) tertentu dan panjang (L) tertentu dilebarkan sejauh sudut ekspansi (φ) seperti yang dijelaskan pada Gambar 2.2(a). Peningkatan kecepatan angin di dalam diffuser dapat dilakukan dengan menurunkan tekanan udara statis di dalam Diffuser. Alternatifnya adalah dengan memperlakukan aliran fluida di dalam Diffuser seperti pada internal

  flow, bisa dilakukan dengan menyempitkan luas penampang. Sesuai dengan

  hukum kekekalan massa, variasi geometri dari Diffuser dapat meningkatkan kecepatan angin di dalam Diffuser.

2.2 TEORI BOUNDARY LAYER

  Aliran angin disekitar diffuser menunjukkan adanya dua aliran sistem yaitu sistem aliran eksternal yang melalui permukaan luar dan aliran sistem internal yang melalui permukaan dalam (rongga diffuser). Aliran yang melalui sebuah permukaan menghasilkan boundary akibat adanya gesekan antara partikel udara yang dengan permukaan. Hal ini akibat adanya viskositas dari fluida, sehingga aliran terbagi menjadi 2 wilayah yaitu aliran di dalam boundary layer (inner flow) dan aliran diluar boundary layer (outer flow).

Gambar 2.3 Daerah Transisi Laminer-Turbulen (Purwanto, 2011)Gambar 2.3 menunjukkan boundary layer akibat aliran yang melalui sebuah permukaan. Ketebalan dari boundary layer (δ) ini terus meningkat

  seiring dengan meningkatnya jarak dari titik awal pertemuan fluida dengan sebuah permukaan (leading edge) searah aliran fluida. Di dalam boundary

  layer tersebut kecepatan fluida berkisar antara 0 m/s di permukaan sampai

  mendekati kecepatan aliran bebas (0,99U ∞ ) di titik boundary layer. Oleh karena adanya gradien kecepatan yang besar sehingga deformasi dan gaya viskous yang besar tidak bisa diabaikan. Pada jarak tertentu dari leading edge, di mana bilangan Reynolds lokal kritis berdasarkan jarak dari leading edge

  5 L (L), Re ≈ 3~5 x 10 , akan terjadi transisi dari aliran laminar ke turbulen.

  6 Ketika Re ≥ 10 maka aliran akan sepenuhnya menjadi aliran turbulen.

2.2.1 Separasi Aliran (Flow Separation)

  Sebelumnya telah dijelaskan tentang boundary layer akibat adanya gesekan antara partikel udara yang dengan permukaan datar meskipun dalam permukaan yang halus. Separasi aliran terjadi ketika pada permukaan permukaan yang melengkung yang mengakibatkan arah kecepatan angin berbalik arah. Skematik kondisi ketika aliran mengenai permukaan lengkung terdapat pada Gambar 2.4. Kecepatan aliran pada daerah yang lebih dekat dengan permukaan akan mengalami gesekan sehingga mengalami pengurangan kecepatan aliran. Pada permukaan (a) kecepatan aliran masih lebih besar 0 ( / = 0), kemudian pada permukaan (b) kecepatan aliran menjadi 0, hingga pada akhirnya permukaan (c) ditandai dengan kecepatan aliran yang minus (kurang dari 0) yang menandakan bahwa kecepatan berbalik arah. Separasi aliran terjadi ketika pada kondisi di mana kecepatan aliran menjadi 0 sebelum berbalik arah.

Gambar 2.4 Skematik Kondisi Terjadinya Separasi Aliran (Alexandrou,

  2011) Membentuk kondisi separasi pada aliran eksternal dapat mungkin terjadi dengan merujuk persamaan 2.1.

  2   u p

   

  2

  (2.1)

    x y

   y

  Menurut persamaan bernoulli,

    p U

     U

  (2.2)

    x x

  Dengan menggabungkan momentum dan persamaan bernoulli, kita dapatkan,

  2  u  U

     

  U

  2

  (2.3)

    y x y 

  Pada poin ini, kita dapat mengidentifikasi 2 tipe aliran eksternal yaitu percepatan aliran dan perlambatan aliran (Alexandrou, 2011). Ketika aliran dipercepat, menurut persamaan 2.3, kelengkungan kecepatan pada boundary layer adalah negatif. Sebaliknya ketika aliran melambat kelengkungan kecepatan pada permukaan boundary layer adalah positif, sementara itu di tepi dari boundary layer adalah negatif. Oleh karena itu, profil kecepatan dapat memberikan titik infleksi, sebagai konsekuensi separasi terjadi hanya pada perlambatan aliran.

  Menurut persamaan bernoulli, Kecepatan meningkat ketika gradien tekanan kurang dari 0. Sebaliknya ketika tekanan meningkat maka aliran akan diperlambat.

Gambar 2.5 Aliran Pada sebuah converging-diverging nozzle (Alexandrou,

  2011)

Gambar 2.5 menunjukkan sebuah converging-diverging nozzle.

  Pada gambar tersebut menunjukkan aliran yang dipercepat pada area

  converging (favorable area) karena akibat luasan yang mengecil sesuai

  dengan persamaan bernoulli. Kemudian pada area diverging terjadi perlambatan, yaitu pada area tepi batas akibat adanya gesekan sehingga terjadi separasi. Separasi aliran hanya terjadi pada area diverging.

2.2.2 Wake Dynamics

  Akibat adanya boundary layer yang merupakan interaksi antara aliran fluida dan permukaan yang padat maka terjadi vorticity (partikel fluida dalam boundary layer cenderung untuk berotasi). Pada aliran yang melalui sudut tajam atau ketika tidak bisa mengikuti bentuk permukaan padat dengan lancar maka akan timbul vorticity pada aliran. Pada Gambar 2.6, bila vorticity pada boundary layer terlepas dari permukaan ke aliran bebas akan menimbulkan vortex yang semakin membesar di daerah downstream dari permukaan yang dilalui. Bila vortex mencapai ukuran yang kritis dan terlepas dari permukaan ke aliran bebas, maka akan menimbulkan wake. Hal ini dinamakan von Karman Vortex street.

Gambar 2.6. Pembentukan Wake (Alexandrou,2001)

  Secara matematis, besar rata-rata vorticity ω yang dibangkitkan di dalam boundary layer adalah :

         1 u

  

1 v u

 

     dy a

  (2.1)

     

       y x y

   

   v Karena suku dalam boundary layer adalah kecil, maka

   x persamaan 2.1, dapat direpresentasikan dalam bentuk : _  1 u U

       _a

  dy

  (2.2)

  

    y  Rotasi dari Fluida juga bisa diekspresikan dengan menggunakan konsep sirkulasi menurut definisi : _{   2}

   

  d u U

       

  u dy u dy udu (2.3)   

  

  dt y

  2 Dari konsep persamaan 2.3, semakin besar vorticity maka kecepatan aliran menjadi lebih besar. Dalam konsep bernoulli, tekanan statis akan mempunyai perbandingan terbalik dengan kecepatan aliran.

2.3 AIRFOIL

  Airfoil merupakan satu bentuk geometri yang dibuat untuk

  menghasilkan daya angkat (lift). Jika Airfoil ditempatkan pada suatu aliran fluida maka akan terjadi perbedaan tekanan yang menyebabkan Airfoil mempunyai daya angkat (Gambar 2.7) seperti yang telah dijelaskan pada persamaan Bernoulli. Bentuk Airfoil pertama kali dipatenkan dan dikembangkan oleh F. Phillips ditahun 1884. Namun pada tahun 1930,

  National Advisory Commite for Aeronautics (NACA) memulai melakukan

  eksperimen dengan menggunakan seri Airfoil yang merupakan bentuk dari

  Airfoil. Sejak saat itu bentuk Airfoil dikenal dengan seri NACA dengan menunjukkan bentuk pada geometri Airfoil (Gambar 2.8).

  Berdasarkan Persamaan Bernoulli diturunkan dari persamaan konservasi energi pada aliran isothermal, steady, dan inviscid. Persamaan tersebut dijabarkan dalam persamaan 2.4. Besaran P mewakili tekanan statis, sedangkan g, h, dan P t adalah percepatan gravitasi, ketinggian relatif titik ukur dan tekanan udara total. Persamaan 2.4 menunjukkan tekanan udara total pada satu titik pengukuran merupakan resultan tekanan dari tiap suku dalam persamaan itu. Suku pertama mewakili tekanan statis,suku kedua merupakan tekanan hidrostatik, suku ketiga mewakili tekanan dinamis.

Gambar 2.7 Aliran Fluida pada Airfoil (Lubis, 2012)

  1

  1 ²

  1

  1 ²            (2.4) P gh U P gh U P kons tan _{1 1 1 2 2 2 t}

  2

  2

  2

  2 Berdasarkan perumusan tersebut di mana tekanan berbanding

  terbalik terhadap kecepatan fluida. Ketika tekanan rendah maka kecepatan aliran fluida akan menjadi cepat, sebaliknya jika kecepatan rendah maka tekanannya akan tinggi.

2.3.1 Hukum Konservasi Massa Dalam Sistem Tertutup

  Salah satu metode untuk melakukan analisa terhadap sistem aliran fluida adalah dengan hukum konservasi massa. Hukum konservasi massa mengacu pada kerangka berfikir bahwa tidak ada perubahan massa pada aliran satu lingkup tertentu yang diamati. Ketika aliran fluida melalui selubung Diffuser , bisa diterapkan batasan sistem tertutup mulai dari inlet sepanjang selubung Diffuser sampai outlet. Sehingga perubahan laju aliran massa ∆ ̇ yang terjadi diantara dua titik di dalam 2 Diffuser bisa diwakili adalah laju aliran massa pada oleh persamaan (2.5), di mana ̇ , ̇ masukan (inlet) dan keluaran (outlet) pada sebuah sistem tertutup.

        m m m

  (2.5)

  outlet inlet Karena perubahan massa (∆ ̇) = 0 maka persamaan 2.5 bisa dikembangkan menjadi persamaan 2.6.

  d d   

  A L A L (2.6) _{inlet inlet outlet outlet} dt dt

  di mana ρ adalah massa jenis aliran di A, A adalah luas penampang aliran dan L adalah panjang lintasan aliran. Dengan mengasumsikan bahwa , maka aliran adalah incompressible (ρ konstan) dan kecepatan aliran = persamaan 2.2 dapat disederhanakan menjadi persamaan 2.7.

   U A U A

  (2.7)

  inlet inlet outlet outlet

2.3.2 Geometri Airfoil seri NACA 4 Digit

  Airfoil mempunyai seri NACA yang menetapkan parameterisasi

  geometri Airfoil dengan menggunakan beberapa sistem klasifikasi, yaitu NACA seri 4 digit, NACA seri 5 digit, NACA Seri 6, NACA seri 7, NACA seri 8, dan NACA seri 1 (seri 16).

Gambar 2.8 Bagian-bagian dari Geometri Airfoil (Bertin, 2009)

  NACA seri 4 merupakan seri dengan 4 digit. Setiap digit menyatakan geometri dari Airfoil. Digit pertama menyatakan persentase maksimum chamber terhadap chord (m). Digit kedua menyatakan persepuluh posisi maksimum chamber terhadap chord (p), sedangkan 2 digit terakhir menyatakan persentase ketebalan Airfoil terhadap chord (t). Sebagai contoh Airfoil 2412 memiliki maksimum chamber 0,02c terletak pada 0,4c dari leading edge dan memiliki ketebalan maksimum 12% c (c =

  chord).

  Geometri NACA seri 4 digit didasarkan pada dua pasang persamaan geometris yang menyatakan koordinat pada permukaan atas dan bawah dari

  Airfoil (Logsdon, 2006). Persamaan ini akan menentukan koordinat dari

  permukaan Airfoil untuk diberikan sebagai persentase dari chord. Koordinat permukaan atas dapat ditemukan dengan persamaan berikut:   

  x x y . sin _{u t}

  (2.8)  

  y y y . cos  _{u c t}

  Sedangkan koordinat permukaan bawah dapat dinyatakan dengan persamaan:   

  x x y . sin _{l t}

  (2.9) 

  y  y  y _{l c t} . cos di mana x adalah posisi di sepanjang chord, yt adalah distribusi

  ketebalan dan θ adalah sudut antara titik sebelumnya dan titik saat ini. Distribusi ketebalan untuk bagian sayap empat digit didefinisikan off geometri bagian-bagian sayap saat ini dan didefinisikan oleh persamaan: _{2 3 4}

  t y  x  x  x  x  x (2.10) _t  . 29690 . 126 . 3516 . 2843 . 1015  .

20 Sedangkan jari-jari pada leading edge dapat dinyatakan dengan persamaan:

  2  r t

  .1 1019

  (2.11)

  t

  Posisi pusat lingkaran pada leading edge pada posisi 0.05 dari panjang chord pada Mean line Airfoil.

2.3.3 Optimasi Airfoil

  Ketika aliran angin mengenai Airfoil pada sudut α akan menghasilkan 3 macam gaya, yaitu daya angkat (L), drag (D), dan momen

  (M) seperti pada Gambar 2.9. Daya angkat, drag, dan momen dapat didenifisikan melalui persamaan :

  1

  2

  = (2.12)

  ∞

  2

  1

  2

  = (2.13)

  ∞

  2

  1

  2

  2

  (2.14) =

  ∞

2 Kecepatan fluida di atas objek Airfoil bergantung pada geometri

  dari objek Airfoil. Jadi, untuk mendapatkan kecepatan yang besar di sekitar

  

Airfoil dapat diperoleh dengan optimasi pada geometri Airfoil. Untuk

  melakukan optimasi pada Airfoil dilakukan dengan berdasarkan pada daya angkat yang besar dan drag yang minimum (Nasution, 2011). Secara simpel dapat ditulis dalam persamaan :

  (2.15) = max ( ) = ( )

  Parameter lain yang berpengaruh terhadap optimasi adalah sudut serang (α) fluida terhadap Airfoil dan ketebalan Airfoil.

Gambar 2.9 komponen Lift (L), Drag (D), dan moment (M) pada Airfoil

  (Nasution, 2011)

2.3.4 Daya Angkat Airfoil (Lift)

  Daya angkat (lift) terjadi ketika aliran angin mengenai objek (Airfoil). Dalam penentuan daya angkat, besaran yang mempunyai pengaruh penting adalah koefisien lift. Koefisien lift menjadi parameter penting dalam mendesain Airfoil. Koefisien lift pada setiap Airfoil akan berubah seiring dengan perubahan sudut serang (angle of attack, α). Hubungan antara koefisien lift dengan sudut serang ditunjukkan pada Gambar 2.10 (a). Pada saat sudut serang diubah menjadi lebih tinggi maka koefisien drag Airfoil menjadi meningkat seperti pada Gambar 2.10 (b). koefisien lift dengan koefisien drag relatif meningkat seiring dengan peningkatan sudut serang. Maka dari itu parameter tersebut perlu dioptimasikan seperti yang telah dijelaskan pada subbab 2.3.3.

  Pada Airfoil ketika dialiri angin, pada bagian ujung Airfoil akan terjadi sirkulasi yang membentuk vorteks (trailing vortices). Vorteks terjadi ketika sebuah benda mempunyai daya angkat. Sebenarnya vorteks mengurangi daya angkat Airfoil karena bekurangnya beda tekanan pada

  Airfoil. Dalam reduksi tersebut akan menambah drag dalam Airfoil.

  (a) (b)

Gambar 2.10 (a) grafik antara koefisien lift dengan sudut serang (b) grafik antara koefisien drag dengan sudut serang (Fox & Mcdonald,

  1978) Penambahan sirip (flap) pada Airfoil dapat meningkatkan koefisien lift (Gambar 2.12). Penambahan sirip telah diaplikasikan pada pesawat terbang guna mengontrol lift saat akan terbang maupun mendarat. Penambahan sirip nantinya akan diaplikasikan dalam Diffuser untuk meningkat beda tekanan pada selubung Diffuser guna mendapatkan kecepatan angin dalam Diffuser yang meningkat secara signifikan.

Gambar 2.11 Representasi trailing vortices pada ujung Airfoil (Fox &

  Mcdonald, 1978)

Gambar 2.12 Efek dari penambahan sirip pada Airfoil NACA 23012 (Fox

  & Mcdonald, 1978)

2.4 PERSAMAAN DAN MODEL TURBULENCE

  Medan aliran secara umum ditunjukkan oleh kontinuitas dan incompressible Reynold-averaged Navier-Stokes sebagai berikut : 

  U i

  

  (

  2.16)  x

  i

      

      U 1  j 

  U P U i i

         

  ( U  v u u  F 2.17) j i j i

         

  x x x x x j i j j i

     

  Diana ()̅ menunjukkan nilai Reynolds-averaged. Pada persamaan 2.17, ρ, P, U i , u i , dan v menunjukkan kerapatan, tekanan, rata-rata kecepatan, fluktuasi turbulen dan viskositas kinematis. F i merupakan istilah dari Body-force yang dikenakan sebagai representasi dari beban (Abe dkk, 2004).

  Energi turbulen (k) ditentukan dari formulasi umum dari persamaan Transport :

  

 

      k  v k U  _{t i}

       (2.18) U v u u _{j  i j }

        x x  x x _{j j k j j}

   

 

  Diana ε adalah kecepatan disipasi dari k. Dengan parameter ψ yang sebanding dengan nilai √ dan nilai tersebut alah menjadi lebih kecil dari . adalah kecepatan disipasi spesifik dari energi turbulen ( ∝ / ). Parameter ψ dapat ditunjukkan pada formulasi persamaan 2.19.

  

  1 

   (2.19)

  

• k Pada persamaan 2.12 menunjukkan cara ekstraksi ε dari ψ, yang diperlukan dalam persamaan transport 2.18. Sebuah konstitusi dasar pada persamaan

  

transport untuk ψ dapat diturunkan dari persamaan transport untuk k dan ε,